mgzno薄膜制备及特性的研究

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1、山东火学博：卜学位论文．摘要近几年来，宽禁带半导体材料引起人们的关注，因为这些材料在蓝光及紫外光发光二极管、半导体激光器和紫外光探测器上有重要的应用价值。这些器件在光信息存储、全色显示和紫外光探测上有巨大的市场需求。人们已经制造出III族氮化物和ZnSe等蓝光材料，并用这些材料制成了高效率的蓝光发光二极管和激光器，使全色显示成为可能。但是这些蓝光材料也有明显的不足，ZnSe激光器在受激发射时容易因温度升高而造成缺陷的大量增殖，故其寿命很短。GaN材料的制备则存在制造设备昂贵、衬底材料缺乏、薄膜生长困难等缺点。ZnO材料无论是在晶格结

2、构，晶格常数还是在禁带宽度上都与GaN很相似，对衬底没有苛刻的要求而且很易成膜，被认为是很有前途的光电子材料。特别令人感兴趣的是ZnO材料在室温下具有高的激子束缚能(约60meV)，在室温下激子不被电离，激发发射机制有效。这对于制造在室温下低激射阈值的激光器极为有利。制备ZnO基光电子器件需要两个重要条件：一．获得P型ZnO本征ZnO是一种”型半导体材料，必须通过受主掺杂刁能实现P型转变。但是由于ZnO中存在较多本征施主缺陷(氧空位和锌间隙)，对受主掺杂产生自补偿作用，并且受主杂质固溶度很低，掺杂难度较大。因此，P型ZnO的研究己成

3、为国际上的研究热点。二实现能带工程人们希望找到晶体结构相同，晶格常数相近，禁带宽度更大的材料。这种材料可和ZnO一起组成异质结、量子阱和超晶格，不但能极大地提高ZnO的发光效率，而且能对材料的发光特性进行调制。MgZnO材料即可满足这种要求。MgO和ZnO形成MgZnO的带隙可以在3．3～7．9eV之间变化，可以与ZnO组成异质结、多量子阱和超晶格。所以MgZnO是一种很有前途的光电材料，它既可以作为ZnO材料的势垒层，也可以直接作为紫外发光材料，在制备紫外波段的光电器件方面有着广阔的应用前景。目前报道的MgZnO薄膜多数采用金属有

4、机物化学气相外延(MOVPE)、分子束外延(MBE)和脉冲激光淀积(PLD)等方法制备，薄膜生长温度普遍较高(500～650"C)。我们首次采用低温生长技术，用射频磁控溅射法在80"C衬底温山东大学博士学位论文度下制各MgZnO薄膜，系统地研究了不同Mg摩尔含量样品的结构和光学特性，确定了禁带宽度对薄膜中Mg含量的依赖关系。研究了溅射功率、淀积时间、氧气分压和退火温度等制备条件对MgznO薄膜性质的影响。由于MgZnO是在ZnO材料基础上延伸出来的新型半导体材料，所以在本文第一章中首先介绍了ZnO材料的基本性质及其应用。人们对ZnO

5、材料的研究已经非常成熟，但是对MgZnO材料的研究刚刚起步，在第一章中对MgZnO材料的国内外研究进展做了详细介绍，并阐述了课题选取的原因。在第二章中对实验设备以及测试方法进行了介绍。不同摩尔比例的ZnO和MgO粉末经混合、研磨、锻压和烧结等工艺后成为MgZnO陶瓷靶。本实验中共使用了6个不同Mg摩尔含量的陶瓷靶，其中Mg的摩尔含量分别为0％、16％、23％、30％、38％和56％，本文中用X表示镁的摩尔含量(MgxZnl。O)，即x=0、x=0．16、x=0．23、x=0．30、x=0．38和x=0．56。我们采用JPGF_450

6、型射频磁控溅射仪在硅、石英和蓝宝石衬底上淀积MgZnO薄膜。所用射频频率为13．56MHz，系统的背景真空为2×10。Pa，溅射功率为100～200W，溅射气体使用船和02的混合气体。部分样品分别在200℃、400℃、600℃和800℃下做退火处理，以便研究退火温度对薄膜性质的影响。第三章讨论了MgZnO薄膜的结构特性。分析硅、石英和蓝宝石衬底上生长的MgZnO薄膜的x．射线衍射谱(XRD)，结果表明Mg含量不同的薄膜分别具有两种不同的晶格结构。当Mg的摩尔含量(x)介于0～O．38时薄膜具有类似于ZnO的单相六角纤锌矿结构，并且具

7、有与衬底垂直的C轴的择优取向。当Mg的摩尔含量增加到x=0．56时，MgZnO薄膜的(002)衍射峰消逝，出现MgO(111)衍射峰，说明薄膜已经由六角结构变为立方结构。Mg摩尔含量x=0．23的薄膜具有最好的结晶质量，这是因为Mg的加入会使薄膜的氧空位缺陷明显减少，这也可以从拉曼光谱测试中得到验证。然而当Mg含量继续增加时，薄膜中的Mg接近非平衡态的溶解度极限，Mg元素分布的不均匀以及由Mg离子与Zn离子半径的差异引起的影响越来越显著，使薄膜的结晶质量变差。在x=0．38和x=0．56之间存在两相的转变，应该具有六角和立方两相共存

8、的状态。在薄膜的拉曼光谱测试中，对应于六角纤锌矿相特征的E2振动模出现在x=0和x=0．23的薄膜中而没有出现在x=0．56的薄膜中，可以说明x=0．56的薄膜已山东人学博：Ij学位论文经不具有六角纤锌矿结构；对应于氧空位和锌间隙的E